Особенности расчета механического компенсатора погрешностей холодноштамповочного оборудования

Сумский государственный университет

Кировоградский национальный технический университет

Особенности расчета механического компенсатора погрешностей холодноштамповочного оборудования

В.С. Запорожченко, канд. техн. наук, доц.;

В статье представлен критический анализ различных типов компенсирующих устройств, предназначенных для штамповочного оборудования. Описаны конструкция и принцип действия механического компенсатора с пятью степенями свободы. Приведена теория такого компенсатора и даны рекомендации по выбору его оптимальных размеров.

ВВЕДЕНИЕ

Большая часть деталей современной техники, наземного транспорта и летательных аппаратов изготовляется методом холодной штамповки из листового, сортового и пруткового материалов.

Точность и качество штампованных деталей определяют прочность и надежность всего изделия в целом. В связи с этим, к холодноштамповочному оборудованию предъявляются высокие требования в отношении точности штамповки и стойкости штамповочного инструмента [1].

Современное прессовое оборудование, особенно длительно находящееся в эксплуатации, не обеспечивает требуемой точности штамповки из-за погрешностей изготовления, износа направляющих элементов и увеличенных зазоров в подвижных сочленениях. Даже новый, хорошо отлаженный пресс упруго деформируется в момент выполнения технологической операции под действием значительного усилия штамповки, что связано со смещением верхней половины штампа относительно нижней. Этому препятствуют направляющие колонки штампа, но их момент инерции поперечного сечения во много раз меньше момента инерции поперечного сечения станины пресса. Направляющие колонки при штамповке упруго изгибаются, что приводит к несоосности пуансонов и матриц, которые интенсивно изнашиваются и быстро выходят из строя. С помощью направляющих колонок можно препятствовать перекосу ползуна в направляющих элементах пресса, но колонки не позволяют компенсировать упругую деформацию станины под нагрузкой. На этом основании не рекомендуется применение кривошипных прессов открытого типа с С-образной станиной для вырубных работ с беззазорными и твердосплавными штампами ввиду ее больших угловых деформаций [2].

Поэтому между оборудованием и штампом вводятся дополнительные компенсирующие устройства. Например, в штамповочных цехах верхняя половина небольших по размеру штампов крепится к ползуну пресса с помощью плавающего или перемещающегося хвостовика [3]. Это позволяет не передавать полностью перекос ползуна на верхнюю половину штампа. Однако такие устройства компенсации погрешностей прессового оборудования не обеспечивают строгой соосности пуансонов, расположенных в верхней половине штампа, и матриц, размещенных в нижней половине, особенно при упругой деформации станины в момент штамповки.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Таким образом, размещение компенсирующих устройств сверху штампа не позволяет достичь строгой соосности пуансонов и матриц, не устраняет действия вредных изгибающих моментов на направляющие колонки. Очевидно, желательно расположение компенсирующих устройств снизу штампа, что позволит его нижней половине подстроиться под верхнюю, перекошенную вместе с ползуном вследствие неточной наладки, увеличенных зазоров и упругой деформации станины пресса под нагрузкой. Такие механические компенсаторы погрешностей кузнечно-прессового оборудования начали применяться в практике листоштамповочного производства [4], но их размеры выбраны эмпирическим путем без теоретического анализа условий статического и динамического нагружений, равнопрочности всех деталей, одновременности углового и линейного смещений и одинаковых условий трения во всех сочленениях компенсирующего устройства. Возникла потребность в разработке теории механического компенсатора погрешностей холодноштамповочного оборудования.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА И ПРИНЦИПА ДЕЙСТВИЯ

Разработанная конструкция механического компенсатора [5] состоит из верхней 1 и нижней 2 плит, установленных с зазором друг относительно друга (рис.1). К верхней плите с помощью винтов 3 прикреплена шаровая опора 4 с хвостовиком 5. На хвостовике выполнена резьба, на которой крепится опорная гайка 6, стопорящаяся винтом 7 для предотвращения ее самопроизвольного откручивания при ударной нагрузке. В нижней плите установлены опорная пластина 8 и подпятник 9. Последний сочленен своей сферической поверхностью с шаровой опорой 4 и опирается на тела качения, например шарики 10, заключенные в сепаратор 11 и равномерно расположенные в один ряд по поверхности опорной пластины 8. Между торцевой поверхностью опорной гайки 6, боковой поверхностью подпятника 9 и углублениями в нижней плите 2 помещены упругие элементы 12 и 13.

В верхней плите 1 и хвостовике 5 шаровой опоры 4 выполнено центральное отверстие диаметром d₁ для удаления деталей или брачков при вырубке пробивке напровал. Диаметр центрального отверстия в нижней плите 2, опорной пластине 8 и подпятнике 9 равен d. Между верхней 1 и нижней 2 плитами, хвостовиком 5 и стенками центрального отверстия в подпятнике, а также в нижней плите имеется зазор t, составляющий в зависимости от усилия пресса, на стол которого устанавливается компенсатор, от 1 до 5 мм.

Рисунок 1 - Устройство механического компенсатора погрешностей холодноштамповочного оборудования

Принцип работы описанного компенсатора заключается в следующем. Перед началом штамповки нижняя плита компенсатора закрепляется на столе пресса. На компенсаторе располагается штамп, нижняя половина которого крепится к верхней плите компенсатора, а верхняя половина - к ползуну пресса. При этом центры давления компенсатора и штампа совпадают с продольной осью ползуна. Под действием упругих элементов 12 и 13 шаровая опора 4 и подпятник 9 находятся в среднем положении.

При ходе ползуна 1 вниз и его перекосе за счет геометрических погрешностей пресса (рис.2 ) нижняя половина 2 штампа самоподстраивается по верхней половине 3, поворачиваясь в вертикальной плоскости на необходимый угол с помощью шаровой опоры 4 и перемещаясь вместе с подпятником 5 по шарикам 6 относительно стола 7 пресса в горизонтальной плоскости на величину . Ось штампа в течение всего хода вниз и выполнения технологической операции совпадает с осью ползуна, что обуславливает строго симметричную нагрузку направляющих и рабочих элементов штампа. При любой неточности в направлении движения ползуна нижняя половина 2 штампа соответственно поворачивается и перемещается на компенсаторе относительно стола 7 пресса за счет нагружения изгибающим моментом направляющих элементов, оставаясь правильно сориентированной относительно верхней половины 3 штампа.

Рисунок 2. Схема подстройки нижней половины штампа, размещенной на компенсаторе, под верхнюю половину, прикрепленную к ползуну пресса

Предложенная конструкция компенсатора имеет пять степеней свободы, что позволяет нижней половине штампа совершать пять возможных перемещений в пространстве из шести: поворот относительно всех трех координатных осей X, Y, Z и поступательное перемещение вдоль двух координатных осей X и Y в горизонтальной плоскости. Невозможно только перемещение нижней половины штампа вдоль вертикальной координатной оси Z (вверх-вниз). Такая высокая степень подвижности компенсатора обеспечивает надежную компенсацию всех возможных геометрических погрешностей современного кузнечно-прессового оборудования. После снятия нагрузки и подъема ползуна верхняя плита компенсатора за счет упругих элементов 12 и 13 (см. рис. 1) возвращается в исходное (среднее) положение. При этом благодаря устойчивости (самоустанавливаемости) системы «шаровая опора - подпятник» и расположению упругих элементов по всему периметру подвижных деталей компенсатор в ненагруженном состоянии гарантированно возвращается в среднее положение, что не требует никакой предварительной центровки. Кроме того, рациональное размещение упругих элементов способствует эффективному гашению упругих колебаний штампа и ползуна после резкого снятия нагрузки, например, в момент скола материала при вырубке-пробивке. Упругий элемент 12 обеспечивает демпфирование колебаний в вертикальном направлении, а упругий элемент 13 - в поперечном направлении, параллельном столу пресса.

СТАТИКА МЕХАНИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА

Начало угловых и линейных смещений компенсатора определяется величиной сил трения в его подвижных соединениях. Под действием силы Р (рис. 3), направленной под углом к продольной оси ползуна I и жестко прикрепленной к нему верхней половине 2 штампа, возникает момент

, (1)

где Q - горизонтальная составляющая силы Р;

H_П - высота ползуна пресса;H_Ш - высота штампа;h - высота шаровой опоры компенсатора.

Рисунок 3 - Расчетная схема нагружения штампа, установленного на механическом компенсаторе

Этот момент перекашивает ползун в направляющих элементах и изгибает направляющие колонки 3, заставляя нижнюю половину 4 штампа повернуться на угол . Этому препятствует момент трения, возникающий между сферическими поверхностями шаровой опоры 5 и подпятника 6:

, (2)

где - сила трения между шаровой опорой и подпятником;

- радиус сферической поверхности шаровой опоры и подпятника;

- вертикальная (нормальная) составляющая силы Р;

- приведенный коэффициент трения скольжения, составляющий для поворотной кинематической пары f'=(1,27 _ 1,57) f [6];

f - коэффициент трения скольжения для плоских поверхностей.

Начало поворота компенсатора соответствует равенству моментов М=М_тр :

(3)

Наименьший угол перекоса ползуна, при котором начинается поворот компенсатора вместе с нижней половиной штампа, равен

. (4)

Соотношение размеров компенсатора - радиуса сферической поверхности R и высоты шаровой опоры h связано зависимостью

, (5)

где Н = Н_П +Н_Ш - известная суммарная высота ползуна и штампа;

- заданный угол поворота ползуна в вертикальной плоскости, характеризующий начало углового смещения компенсатора;

- приведенный угол трения, равный .

Следовательно, чем меньше радиус R и больше высота h сферической части шаровой опоры, тем при меньшем угле поворота ползуна начнется угловое смещение компенсатора и подстройка нижней половины штампа по верхней, то есть тем чувствительнее компенсатор к перекосам ползуна и деформации станины пресса.

Под действием горизонтально направленной силы Q возникает момент, сдвигающий подпятник 6 вместе с шаровой опорой 5 и нижней половиной штампа 4 на шариках 7 в плоскости, параллельной плоскости стола

, (6)

где - диаметр тел качения (шариков);

- наименьшая толщина подпятника в его центральной части.

Горизонтальному перемещению подпятника препятствует момент сил трения, возникающих между шариками и плоскими поверхностями подпятника и стола пресса:

, (7)

где k - коэффициент трения качения.

Начало линейного смещения подпятника имеет место при равенстве указанных моментов

. (8)

Минимальная величина угла перекоса ползуна, при которой начинается смещение подпятника в горизонтальном направлении, равна

. (9)

Таким образом, чем меньше коэффициент трения качения k и больше диаметр шариков d_ш, тем легче сдвинуть компенсатор в горизонтальной плоскости.

Диаметр тел вращения (шариков), на которых перемещается подпятник вместе с нижней половиной штампа, определяется из выражения

, (10)

где - заданный угол поворота ползуна в вертикальной плоскости, характеризующей начало линейного смещения компенсатора.

Наиболее плавная работа компенсатора и равномерное нагружение направляющих колонок штампа имеют место при одновременном угловом повороте и линейном сдвиге компенсатора

. (11)

Величина радиуса сферической поверхности шаровой опоры и подпятника, определённая из кинематического условия одновременности углового и линейного смещений всех подвижных сочленений компенсатора, равна

. (12)

Наружный диаметр D шаровой опоры (рис.4) определяется из следующих геометрических соотношений [7]:

;

, (13)

где h - высота шаровой опоры компенсатора, выполненной без центрального отверстия.

Рисунок 4 - Расчетная схема шаровой опоры компенсатора с центральным отверстием

Диаметр d центрального отверстия связан с размерами компенсатора по высоте следующим образом:

(14)

где - высота усеченного сегмента шаровой опоры, в центре которой выполнено провальное отверстие.

Второй член в вышеприведенном выражении значительно меньше первого, что позволяет с достаточной для инженерных расчетов точностью им пренебречь. Тогда высота шаровой опоры с центральным отверстием равна

. (15)

Удельное давление р в месте контакта сферических поверхностей шаровой опоры и подпятника определяется из выражения

(16)

где P - номинальное усилие пресса;

- коэффициент, который учитывает уменьшение рабочей поверхности подпятника из-за наличия смазочных канавок;

- допускаемое удельное давление [8].

Размеры предложенного компенсатора из расчета по допускаемому давлению связаны следующим соотношением:

, (17)

откуда величина радиуса сферической поверхности шаровой опоры и подпятника, определенная на основании прочностного расчета, равна

. (18)

Приравняв значения радиусов R₁, найденного из кинематического условия начала углового и линейного смещения механического компенсатора, и R₂, определенного из силового условия прочности его сферических поверхностей, имеем

, (19)

откуда вычисляется оптимальное значение высоты h шаровой опоры

. (20)

Контактные напряжения, возникающие в шариках, расположенных между плоской поверхностью подпятника 9 и опорной пластиной 8 (см. рис.1), находятся по известной формуле Герца [8]

, (21)

где N_ш - нагрузка на один шарик,

,

Е - модуль упругости;

r_ш - радиус шарика;

- допускаемое контактное напряжение.

Число шариков n, помещенных под подпятником, определяется из следующего выражения:

. (22)

На основании полученных зависимостей составлена программа для статического расчета механического компенсатора с помощью персонального компьютера и рассчитаны его оптимальные конструктивные параметры. На рис. 5 приведены графики для нахождения оптимальных значений радиуса R_опт сферической поверхности и высоты h_опт шаровой опоры компенсатора для кривошипного пресса номинальным усилием 250 кН. Как следует из графиков, величина радиуса R₁, определяемая из кинематических условий одновременного начала углового и линейного сдвига компенсатора при перекосе ползуна, несколько возрастает при увеличении высоты h и более резко уменьшается с ростом параметра (d_ш + b). Величина радиуса R₂, определяемая из прочностных условий, значительно уменьшается с ростом высоты h шаровой опоры, но не зависит от диаметра шариков d_ш и минимальной толщины подпятника b. В местах пересечения кривой и прямых находятся оптимальные значения радиуса R_опт и высоты h_опт шаровой опоры компенсатора в зависимости от диаметра шариков d_ш, помещенных под подпятником толщиной b, и различных условий смазки. Эти оптимальные размеры основных деталей механических компенсаторов рекомендуется принимать при их конструировании или модернизации.

Рисунок 5 - Графики для определения оптимальных значений радиуса R сферической поверхности и высоты h шаровой опоры механического компенсатора в зависимости от диаметра d_ш шариков и толщины b подпятника при значениях

1 - (d_ш+b) = 1мм;

2 - (d_ш+b) = 2мм; 3 - (d_ш+b) = 3мм и различных условиях смазки:

а - при жидкой смазке f = 0,04;б - при густой смазке f = 0,06;

в - при слабой смазке f = 0,08;г - при практическом отсутствии смазки f = 0,1

На рис. 6 изображена зависимость радиуса сферической поверхности и высоты шаровой опоры механического компенсатора от диаметра шариков и толщины подпятника при жидкой f = 0,04, густой (консистентной) f = 0,06, а также при слабой f = 0,08 смазке. Установлено, что с увеличением высотного параметра (d_ш + b) оптимальная величина радиуса плавно уменьшается по криволинейной зависимости, а оптимальная высота шаровой опоры линейно возрастает, особенно значительно до величин, превышающих 100 мм, при слабой смазке. Это приводит к увеличению высоты всего компенсатора, что нежелательно, так как эта высота должна примерно равняться толщине подштамповой плиты пресса. Данное соотношение объясняется тем, что на производстве, чтобы не уменьшать закрытую высоту штампового пространства, компенсатор устанавливается на столе пресса вместо подштамповой плиты.

Рисунок 6 - Зависимость расчетных величин радиуса сферической поверхности (а) и максимальной высоты шаровой опоры (б) от высотного параметра (dш + b) компенсатора

Таким образом, при проектировании новых компенсаторов следует уменьшать толщину b подпятника и диаметр d_ш тел качения, увеличивая их число n, что обеспечит возрастание радиуса R_опт сферической поверхности до размеров, соизмеримых с поперечными размерами стола пресса. Желательно также конструктивно улучшать условия смазки подвижных сочленений механического компенсатора путем размещения на сферических поверхностях ряда смазочных канавок, установки лабиринтных уплотнений, обеспечения постоянного подвода жидкой смазки извне [9]. Это обеспечивает высокую чувствительность, достаточную нагрузочную способность и прочность деталей компенсатора при его минимальной высоте и массе.

ВЫВОД

Разработанная теория механического компенсатора и полученные аналитические зависимости позволяют, в зависимости от номинального усилия холодноштамповочного оборудования и заданных условий смазки, выбирать его оптимальные размеры, обеспечивающие высокую чувствительность, плавную работу за счет одновременности углового и линейного сдвигов при перекосе ползуна и равную прочность рабочих деталей. Изготовление компенсаторов с оптимальными параметрами даст возможность улучшить работоспособность, повысить чувствительность и надежность в эксплуатации, продлить срок службы между ремонтами и увеличить стойкость штамповой оснастки в 2 4 раза.

SUMMARY

The critical analysis of the various types of the compensation devices for the punching equipment is presented in this article. The construction and principle of operation of the five-freedom-degrees mechanical compensator are described and the theoretical description as well as the optimal parameters choice recommendation for it are given.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кривошипные кузнечно-прессовые машины: Теория и проектирование / Под ред. В.И. Власова. - М.: Машиностроение, 1982. - 424с.

2. Кузнечно-штамповочное оборудование / Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. - М.: Машиностроение, 1982. - 575с.

3. Динер И.Г., Брун В.Я. Высокоэффективная оснастка для листовой штамповки. - Киев: Техника, 1984. - 248с.

4. Качанов А.П., Мирзак В.Я., Запорожченко В.С. Повышение стойкости разделительных штампов за счет использования механических компенсаторов // Кузнечно-штамповочное производство _ 1996. - №4. - С. 18-22.

5. Авт. свид. № 1428593 СССР. ВЗОВ 15/00; В21D 37/00. Компенсатор неравномерности нагружения штампа / А.П. Качанов, В.С. Запорожченко, Ю.М. Романов, В.А. Мельник (СССР). - 4041368/31-27; Заявл. 24.03.86; Опубл. 7.10.88, Бюл. №37. - 3с.

6. Юдин В.А., Петрокас Л.В. Теория механизмов и машин. - М.: Высшая школа, 1977. - 527с.

7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Определения, теоремы, формулы/ Перевод с англ. - М.: Наука, 1984. - 831с.

8. Расчет на прочность деталей машин: Справочник / И.А. Биргер, Б.Ф. Шорр, Г.Б. Иосилевич. - 3-е изд. - М.: Машиностроение, 1979. - 702с.

9. Крагельский И.В., Михин Н.М. Узлы трения машин: Справочник. - М.: Машиностроение, 1984. - 280 с.